Introduction:

Depuis toujours, l’homme rêve de voler. Présent dans la mythologie grecque avec Icare ou dans les sciences avec Leonardo da Vinci, le projet poursuit les hommes jusqu'à ce qu’ils réussissent enfin à quitter la terre. Après de nombreux essais, l’Homme a en effet créer ce que l’on appelle un avion. Pour cela, il a eu comme source d’inspiration majeure: l’oiseau. Mais l’avion ce n’est pas l’homme qui vole, c’est la machine. Pour voler de lui même, l’Homme a pris de grands risque à effectuer des saut avec des morceaux de tissu entre les bras et les jambes. Le parachute était l’invention se rapprochant le plus de ce rêve jusqu’à l’élaboration du wingsuit. Cette combinaison composée de poches d’air permet à l’homme de planer pendant plusieurs minutes après s’être lancé d’un endroit en hauteur. C’est le fruit d’une association de calculs de physique et d’observation d’un petit animal nocturne: le polatouche. Celui ci ne sortant que la nuit et se faisant très discret a tout de même réussi à inspirer une des plus grandes découvertes du rêve de l’Homme. Mais est-il vraiment la seule source d’inspiration à l’élaboration du wingsuit?

I)1)Evolution de la structure du wingsuit :

Il y a eu différentes types de combinaison créé par l’homme pour voler, Chacunes ont eu de différentes sources d’inspiration.

Les premières ébauches sont attribuer a Léonard de Vinci, il a élaboré une structure qui reprenais les ailes de chauve-souris fabriqué en bois et en toile. Son invention n’était que un rêve et le projet ne fut pas mené jusqu’au bout.

Dans les années 20 Clem Sohn crée la première combinaison de Wing suit qui lui permet de planer. Cette combinaison est créée avec des tubes d’acier et de la toile de zéphyr. C’est cette tenue-là qui donne le coup d’envoi pour une série d’évolution est encore aujourd’hui les combinaisons de Wing suit son ressemblante. Pour la créé, il s’est en particulier inspiré des avions et des oiseaux.

C’est Patrick de Gayardon qui va considérablement améliorer le Wingsuit. En effet, sa combinaison est encore utilisée aujourd’hui. Il a réussi un exploit en sautant d’un avion et en y reentrant une minute plus tard il à découvert qu’elle forme il fallait pour pouvoir effectuer des virages.Il s’est essentiellement inspiré des polatouches.

Mème aujourd’hui, le wingsuit est en constante amélioration. Le prototype de Léonard de Vinci été construis en bois et en toile, Les matériaux changent avec la perfection de Clem Sohn qui utilise de l’acier et de la toile de zéphyr pour avoir une plus grande solidité et une rigidité plus importante. Patrick Gayardon quant a lui utilise du tissu de synthèse et il n’a pas besoin de structure (en bois ou en acier) puisque il utilise celle du corps humain.

La source d’inspiration a elle aussi beaucoup variée. Au départ elle était les chauve souris et se n’est que avec Clem Sohn qu’elle vas évoluer en s’inspirant des avions ; mais le plus performant des wing suit(celui de Patrick Gayardon) s’inspire directement des polatouche.

Nous l’avons vu, les wingsuit ont évoluer sur deux plan : la structure, qui varie en fonction de la source d’inspiration ; et la matière qui elle varie en fonction de l’époque. 

I) 2)CONCEPTION ET EVOLUTION DE LA STRUCTURE.Des pistes à exploiter :

·                   

                       Les chauves-souris sont des mammifères appartenant à la famille des chiroptères.

     Cette famille est très répandue dans le monde entier à part dans les régions polaires ainsi que la Nouvelle Zélande.

     Ce sont les seuls mammifères capables d‘exercer le vol actif. 

·            Les ailes des chauves-souris sont constituées d’une membrane très  souple qui peut se tourner à volonté dans tous les sens.

 Les grands doigts des chiroptères permettent d’étendre le patagium (membrane formant l’aile de la chauve-souris) et transforme celui-ci en ailes cutanées (terme se rapportant à la peau).  

·   

                  Les muscles moteurs permettent à la chauve-souris de battre l'aile.

Les chauves-souris doivent déployer une grande activité physique nécessaire pour obtenir une poussée  leur permettant de voler, contrairement aux mammifères comme les polatouches.

·       La forme des ailes varie selon les différentes espèces de chiroptères en fonction de leur alimentation et leur environnement :

- - les ailes longues et étroites sont attribuées aux chauves-souris insectivores volant rapidement au-dessus des arbres et fonçant en piqué sur leurs proies.

- - les ailes arrondies et larges sont attribuées aux chauves-souris se déplaçant lentement à une hauteur plutôt faible dans une zone restreinte. Elles recherchent principalement les insectes posés sur les feuillages.

·     

        À grande vitesse, les chauves-souris volent presque de la même façon que les oiseaux mais à vitesse faible, elles maîtrisent une autre technique.

Anders Hedenstrom et Geoffrey Spedding ont ainsi testé les      performances de la membrane de l’aile des chauves-souris.

Ils ont installé des chauves-souris dans une soufflerie pour pouvoir enregistrer et reconstituer les turbulences créées par leur vol. 

Celles-ci volaient vers l’autre extrémité du tunnel de la soufflerie, attirées par deux tubes d’eau sucrée au miel.

    A vitesse faible, la chauve-souris tourne ses ailes vers l’arrière et à la verticale lorsque celles-ci remontent vers le haut. 

Ce mouvement, ressemblant à celui d’un nageur de brasse, est nécessaire pour éviter de nuire au mouvement ascendant des ailes.

De plus, chacune des ailes de la chauve-souris génère son propre vortex (tourbillon d’air) et l’animal peut ainsi changer rapidement et fréquemment de direction. 

Elle profite aussi des déplacements d’air créés par son mouvement pour augmenter sa poussée.

·       Voici une vidéo du vol de la chauve-souris qu’a étudié Nicolaï Konow et son équipe  à l’Université Brown :

                

·      

  

 Cette technique de vol à faible vitesse intéresse particulièrement les ingénieurs en petits drones (appareils volants que l’on commande à distance) car elle pourrait permettre d’améliorer les virages brutaux de ces appareils télécommandés.

© J. Colorado, A. Barrientos, C. Rossi, K. Breuer

       Voici une autre vidéo produite par l’équipe de chercheurs de Nicolaï Konow.

 C’est une vidéo radiographique du vol du chiroptère.

On peut observer le mouvement du squelette. 
Les analyses ont révélé que les chauves-souris stockaient et recyclaient l’énergie dans leurs tendons très extensibles :

            

     

           Malheureusement, on ne peut concevoir une combinaison inspirée du modèle des ailes des chiroptères car l’Homme ne peut pas actuellement pratiquer un vol actif comme les chauves-souris.

Cependant, il peut reproduire le vol passif du polatouche et s’inspire donc de lui dans la création des combinaisons de wingsuit.

II) 1) Vol d’un polatouche

a) Fiche d’identité de cet écureuil volant

Tout d’abord, il existe deux espèces parmi les polatouches: le petit et le grand. Ce sont des animaux arboricoles qui vivent la nuit. Ils sont ainsi très difficiles à observer, il reste de nombreuses zones d’incompréhension pour ce rongeur. On sait de sources sures que ce mammifère n’hiberne et ne migre pas.

Grand polatouche:

• taille et poids:

Sa longueur varie de 24,5 à 37 cm, avec une queue qui mesure environ 12 cm. Son poids varie entre 70 et 140 g.

• principales caractéristiques :

Son dos est vêtu d’une fourrure gris-brun tandis que son ventre est beige très clair. Une membrane appelée patagium relie ses membres antérieurs aux postérieurs. Cet animal possède 22 dents ainsi que 8 mamelles.

• habitat :

On peut l’apercevoir dans les forêts mixtes ou de conifères.

• alimentation :

Il se nourrit principalement de cônes de pins, de sapins, d’épinettes, de bourgeons, de fruits, de graines, d’œufs et d’oisillons. Il est aussi probable qu’il consomme certains champignons ou encore des lichens arboricoles comme compléments alimentaires.

• reproduction :

Cette période commence en mars et peut se terminer fin mai. L’accouplement se passe au début du printemps. De mai à juin, c’est la naissance des petits, après 5 à 6 semaines de gestation. Ils peuvent être de 2 à 5 et pèsent entre 5 et 6 g. Au bout de 40 jours ils quittent le nid et sont sevrés au bout de 2 mois.

• locomotion :

Le polatouche, grâce à sa membrane, peut ainsi parcourir 50 m lors d’un plané entre deux arbres.

Petit polatouche :

• taille et poids :

Il mesure 20 à 26 cm au total, avec une queue de 9,35 cm. Il pèse de 47 à 85 g.

• principales caractéristiques :

Tout comme le grand polatouche, son pelage est gris-brun sur le dos et beige presque blanc sur le ventre. Il possède également un patagium. Il est ainsi très difficile à distinguer du grand polatouche. Il existe cependant un moyen de le déterminer : la queue du petit polatouche s’effile de la base vers l’extrémité tandis que celle du grand polatouche ne s’effile pas, les côtés de la queue sont ainsi parallèles.

• habitat :

On le trouve dans des forêts mixtes ou de conifères, comme le grand polatouche. Il vit dans les arbres, notamment ceux qui produisent des noix et qui comportent des cavités pour établir un nid.

• alimentation :

Ce rongeur se nourrit essentiellement de noix, mais aussi d’insectes, d’œufs et d’oisillons. Ces principaux prédateurs sont les chats domestiques, les hiboux, les couleuvres et les ratons laveurs.

• reproduction :

La naissance des petits a lieu de fin avril jusqu’au mois d’août. Au Canada, c’est une portée par année, occasionnellement 2. Une génération dure approximativement 1 an et demi.

• survie :

Le petit polatouche dépasse rarement la troisième année de sa vie. La principale menace qui pèse sur ce rongeur est la perte d’habitat. L’hiver a également de l’importance : le mammifère trouve moins de nourriture et le froid peut causer une augmentation au nombre de pertes.

Le petit polatouche quant à lui, parcourt des distances de 6 à 9 m lors d’un saut.

b) Le vol

        On appelle à tort le polatouche écureuil volant, car en réalité, ce petit mammifère ne fait que planer. Son patagium n’est pas une aile, le polatouche n’est pas un oiseau. Pour cette partie, on s’intéresse au petit polatouche. Cet animal effectue un plané lorsqu’il souhaite se déplacer d’un arbre à un autre. On dénombre trois phases de « vol » : le décollage, le plané et l’atterrissage.

• le décollage :

Le polatouche commence par s’agripper à son arbre de départ pour ensuite lâcher sa prise et faire un bond en direction de son arbre d’arrivée. A ce moment-là, l’animal écarte ses pattes et tend sa membrane.

• le plané :

C’est la partie la plus intéressante, la manière dont le polatouche plane. En fait, sa membrane se gonfle à la manière d’un parachute, permettant ainsi au rongeur d’effectuer quelques mètres supplémentaires avant d’atterrir. Il se dirige grâce à sa queue qui lui sert de gouvernail.

• l’atterrissage :

Le polatouche atterri sur le tronc de son arbre d’arrivée dans une position verticale, afin de pouvoir s’agripper avec ses quatre pattes.

C’est notamment grâce à l’étude de la manière de planer de cet animal que le wingsuit a pu être conçu, alors merci petit polatouche !

II) 2) Vol du wingsuit

La portance :

En premier lieu, nous allons voir comment fait un wingsuit pour planer, pour rester dans les airs au lieu de s’écraser sur le sol.

On peut remarquer que si on souffle au dessus d’une feuille, elle monte. Si on souffle en dessous, elle monte aussi. De même que si on souffle entre deux feuilles, elles se rapprochent.

C’est le principe de la portance.

Quand on souffle en dessous d’une feuille ou entre deux feuilles, on pousse les molécules d’air créant un vide. Pour combler ce trou, les molécules d’air de l’autre coté des feuilles cherchent à y aller, poussant ainsi les feuilles en les forçant à se rapprocher ou à monter.

Au contraire, lorsqu’on souffle en dessous de la feuille, on créé une surpression forçant la feuille à monter.

Les ailes du wingsuit sont comme celles des avions, elles possèdent un extrados, un intrados, un bord de fuite et un bord d’attaque. La forme du profil de l’aile et la vitesse  influent beaucoup sur la portance. Pour avoir un effet de portance, il faut que les molécules d’air créent une dépression à l’extrados (au dessus de l’aile) et une surpression à l’intrados (en dessous). Pour cela, il faut influencer les flux d’air à aller où l’on souhaite par le profil de l’aile.

De plus, plus on est rapide, plus on est porté. A cause de la vitesse, les molécules ne peuvent suivre le profil de l’aile. Elles se séparent de celui-ci en créant un vide à l’extrados.

Répartitions des forces de pressions :

Tout l'extrados est le siège d'une dépression locale généralisée, la couche limite, devient peu à peu turbulente, voir tourbillonnaire lorsqu'on approche du bord de fuite.

À l’intrados, le profil constitue un obstacle à l'écoulement, l'air va être freiné: on voit donc apparaître une surpression localisée sur l'intrados.

La portance s’exerce en angle droit par rapport à la vitesse, elle n’est donc jamais verticale, à une exception près : le vol horizontal.

La combinaison aide aussi à la portance car elle est composée de poches ou l’air s’engouffre, favorisant la surpression à l’intrados.

Il existe des formules de portance :

 P=mg                 avec P la portance en Newton

                                           m la masse en Kg

                                           g l’accélération en m/s2

P/V2=k               avec P en Newton

                                           V la vitesse en m/s

                                            k constante

Donc, si on double la vitesse, on multiplie la portance par 4 (22).

De même, si on triple la vitesse, on multiplie la portance par 9 (32).

La portance varie aussi en fonction de l’incidence. Plus l’incidence est grande, plus la portance est grande, jusqu'à un certain niveau. En effet, lorsque les ailes se cabrent trop, il n’y a plus de portance. C’est le décrochage, il se produit toujours à la même inclinaison.

Calcul de la portance :

P=Cz.ρ.S.V2               Avec P en newton

                                          Cz le coefficient de portance

                                          ρ la masse volumique de l’air en kg.m-3

                                          S la surface en m2

                                          V la vitesse en m.s-1

Nous voyons que la portance dépend bien de la surface et de la vitesse. Ainsi nous pouvons voir pourquoi le polatouche vole sur de moins grandes distances que l’homme et avec de moins grandes vitesses.

Or, avec la portance vient la trainée.

Nous avons vu que la portance augmentait avec l’incidence, mais la trainée suit la même logique.

Formule de trainée :

Rx=½ρ.V2.S.Cx            Avec Rx la trainée

                                             Cx le coefficient de trainée

                                              ρ la masse volumique de l’air en kg.m-3

                                              S la surface en m2

                                              V la vitesse en m.s-1

Ainsi, elle dépend aussi de la surface et de la vitesse.

On appelle finesse, le rapport entre la portance et la trainée ou alors par la distance horizontale parcourue sur la hauteur perdue. Aujourd’hui, un wingsuit peut atteindre une finesse de 4 soit 4 km horizontal pour 1 km vertical perdu.

Il existe un point de finesse maximale, une incidence précise qui équilibre la portance et la trainée nous permettant de planer sur la plus longue distance possible. C’est cet angle d’incidence qu’il faut parvenir à trouver lors d’un vol.

La finesse suit une courbe appelée la polaire qui rassemble les deux courbes de la portance et de la trainée.

Courbes :

Portance :

1- Portance nulle

2- Traînée minimale

3- Le point de finesse maximum

4- Portance maximale

5- décrochage

Trainée :

La portance et la trainée forment une seule courbe : la polaire.

Ainsi nous avons vu comment la vitesse et la surface influent sur la portance du wingsuit et combien c’est important de bien choisir le profil de l’aile. De plus pendant le vol il faut bien calculer l’incidence que nous devons prendre pour effectuer la trajectoire choisie au risque de se trouver au mauvais endroit et de chuter. Cela explique pourquoi on s’est inspiré d’un animal plutôt que de fabriquer une combinaison de toute pièces.          

Mais avoir une combinaison ne suffit pas, il faut aussi organiser son vol et ses positions (pour faire des figures par exemple) ainsi que son décollage et son atterrissage.

L’organisation du vol :

Avec le wingsuit, on peut décoller de deux façons différentes. Décoller n’est pas le mot exact, en effet comme les polatouches, un wingsuit ne permet pas de voler mais de planer. Il faut donc avoir un point de départ situé en hauteur. Ceux qu’on appelle les BASE jumpers sautent le plus souvent d’une montagne pentue, mais ils peuvent aussi sauter à partir de monuments. D’autres sautent à partir d’avions ou d’hélicoptères, mais cela rend plus difficile les procédures d’urgences, seul les parachutistes confirmés ayant effectués 150 sauts peuvent le faire.

Comme nous l’avons vu, le wingsuit est composé de poches d’air. Pour que le wingsuit commence à planer, il faut que ces poches se remplissent. Les premières secondes du saut sont donc la chute libre, jusqu'à ce que la combinaison prenne l’air et freine la chute.

Un wingsuit peut aller jusqu'à 200 km à l’heure. Le parachutiste saute avec les bras et les jambes déjà étendues et il doit rester dans cette position durant tout le vol pour pouvoir bien planer. Un vol en wingsuit dure environ deux minutes. Certaines combinaisons comporte une poignée de secours. Si la combinaison ne freine pas assez la chute, le parachutiste tire sur la poignée qui déploie une deuxième couche de tissu pour augmenter la portance.

Pour atterrir, un parachute est intégré au wingsuit. Lorsque le parachutiste est encore assez loin du sol pour survivre, il ouvre son parachute et se pose en douceur. Mais certains ont voulu essayer de sauter sans parachute. Après de multiples calculs pour trouver la trajectoire  et la vitesse appropriées, l’atterrissage ressemble à celui d’un avion. Le premier essai a été effectué près d’un lac. Le parachutiste devait sauter et atterrir en douceur dans le lac, un autre a essayé en  amortissant sa chute avec des cartons entreposés sur le sol. Bien sur, cette technique est beaucoup plus dangereuse. Ceux qui l’utilisent ont déjà effectué plusieurs centaines de vols.

Conclusion :

Nous avons vu que le wingsuit a eu plusieurs sources d’inspirations bien que minimes. En effet, au fil du temps il s’est peu à peu amélioré. Ayant en premier lieu les oiseaux et les avions comme source d’inspiration, l’idée a été abandonnée au profit de la chauve souris. Mais cet animal, après avoir été longuement étudier a été abandonner à son tour. Ainsi, bien que le wingsuit se soit quelque peu inspiré d’autres choses, la source d’inspiration majeure reste le polatouche. Nous avons pu observer de nombreux points communs entre cet animal et le wingsuit, de plus ils utilisent les mêmes principes pour voler bien que le vol du polatouche soit plus simple. Le polatouche peut donc bien être considéré comme le seul à avoir influencé le wingsuit.